二氧化碳激光器简介PPT

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,二氧化碳激光器,4.1 C0,2,激光器的工作原理,C0,2,分子内能包括：电子内能分子中原子间的振动能级,分子的整体转动能级,1,二氧化碳分子振转能级结构,振动能级：,对称振动,V,1,弯曲振动,V,2,（角量子数,l,）,反对称振动,V,3,转动能级：,转动量子数,J:J=l,l+1,l+2,.,2,二氧化碳激光器的激发机理,能级跃迁图：,上能级的激发,下能级的激发,弛豫过程,辅助气体,N2 CO He Xe H2 H2O,转动能级的竞争效应,2.1,激光上能级的激发,1,）电子直接碰撞激发：,CO,2,（,00,0,0,）,+e CO,2,（,00,0,1,）,+e,2,）串级激发：,CO,2,（,00,0,0,）,+e CO,2,（,00,0,v,3,）,+e,CO,2,（,00,0,v,3,）,+CO,2,（,00,0,0,）,CO,2,（,00,0,v,3,1,）,+CO,2,（,00,0,1,）,3,）共振转移激发,N2*,（,v,1,，,2,，,3,。）,+CO2,（,00,0,0,）,N2(v,0)+CO2*,（,00,0,v3,1,，,2,，,3,。）,+E,CO*,（,v,1,）,+CO2,（,00,0,0,）,CO(v,0)+CO2*,（,00,0,1,）,+E,4,）复合激发,CO,O CO,2,（,00,0,1,）,+E,2.2,激光下能级的激发,1,）电子碰撞激发,直接激发,CO,2,（,00,0,0,）,+e CO,2,（,10,0,0,）,+e,逐级激发,CO,2,（,00,0,0,）,+e CO,2,（,01,1,0,）,+e,CO,2,（,01,1,0,）,+e CO,2,（,10,0,0,）,+e,2,）串级激发,高能级的粒子辐射跃迁或驰豫碰撞到,10,0,0,或,02,0,0,能级,3,）分子碰撞激发,CO,2,（,01,1,0,）,+CO,2,（,01,1,0,）,CO,2,（,10,0,0,）,+CO,2,（,00,0,0,）,E,4,）费米共振激发,CO,2,（,02,0,0,）,CO,2,（,10,0,0,）,E,3,二氧化碳激光器驰豫过程,1,）激光上能级的驰豫,分,体积驰豫,和,管壁驰豫,，驰豫速率与气压有关，体积驰豫还与辅助气体种类及其气压有关,2,）激光下能级的驰豫,第一步,10,0,0,和,02,0,0,能级的分子与基态分子碰撞，二者都会驰豫到,01,1,0,振动能级,CO2,（,1,0,00,）,+CO2,（,00,0,0,）,2CO2(01,1,0)+52cm,-1,CO2,（,02,0,0,）,+CO2,（,00,0,0,）,2CO2(01,1,0)-50cm,-1,其他气体与,CO,2,分子的碰撞也能使,CO2,（,10,0,0,）驰豫到,CO2(01,1,0),。这个过程进行的速度很快。,第二步 驰豫到,01,1,0,能级的,CO,2,分子与基态,CO,2,分子及其他气体分子碰撞驰豫到基态。,CO2,（,01,1,0,）,+CO2,（,00,0,0,）,2CO2(00,0,0)+667cm,-1,CO2,（,01,1,0,）,+M CO2(00,0,0)+M+E,此驰豫存在瓶颈效应：,当,CO2,激光器中不加其他气体，只靠,CO2,分子之间的碰撞时，,10,0,0,驰豫到,01,1,0,的速率比从,01,1,0,驰豫到,00,0,0,的速率高得多，因此,01,1,0,能级上的粒子将被堆积起来，而第一步过程是可逆的，这会使得,10,0,0,和,02,0,0,能级上的粒子数增加，造成反转粒子数下降。,4,辅助气体,N,2,：,增大,CO,2,分子,00,0,1,能级的激发速率,还能增加,01,1,0,能级的驰豫速率,CO,：,增大,CO,2,分子,00,0,1,能级的激发速率，还能增加,01,1,0,能级的驰豫速率，但太高时会使,00,0,1,能级消激发,He,：,1,降低工作气体的温度，增加输出功率,2 He,对激光下能级的驰豫作用比对激光能级的驰豫作用影响大得多，这有利于粒子数反转，即有利于提高输出功率,3,缓冲,CO,2,向管壁扩散，减少,00,0,1,态,CO,2,分子与管壁的碰撞消激发作用,Xe,：,增加放电气体中的电离度，使得电子平均能量降低，从而提高激光器的效率,H,2,：,H,2,O,：,提高器件的输出功率，并且延长器件寿命,Ar,：,降低管内电子温度，有利于上能级激发，但导热率不如,He,4.2,普通,CO2,激光器的工作特性和输出特性,1,电子温度,E/N,范围：,10,16,10,15,Vcm2,E/N,小，电子转换效率高，但放电管难以着火,E/N,大，能量大多转换给电子的激发态，电子转换效率低,2,增益,1,）放电电流的影响：存在最佳值,2,）管壁温度的影响：封离型增益随管壁温度上升而下降,流动型增益与管壁温度无关,3,）气压,存在最佳气压值,4,）管径的影响,封离型增益随管径,D,增大略有下降,流动型增益随,D,增大很快减小,5,）增益的径向分布,按零阶贝赛尔函数分布,3,输出功率,影响输出功率的因素：,a,）注入功率的影响,是量子效率,是管内允许气体温度增加的最大值,b,）放电管尺寸的影响,放电管长度：,P,W,=KL,功率随放电管长度增加而增加,放电管径：,谱线为非均匀增宽时，总输出功率与放电管直径无关,谱线为均匀增宽时，总输出功率随管径增大而增大,C,）放电参数的影响,存在最佳放电电流,总气压也存在最佳值,D,）气体温度的影响,P,W,=AT,-3/2,温度影响的原因：,1.,温度升高使下能级粒子数增多，上能级消激发增大，反转粒子数减少，输出功率下降,2.,随气压的增高，线宽加大，输出功率下降,3.,温度升高增加了,CO,2,分子的分解，输出功率下降,降低温度采用冷却措施：扩散冷却 对流冷却,4,输出谱线,转动能级的竞争效应,4.3,普通,CO,2,激光器的结构与设计,1,结构,电极,放电管,储气管,回气管,冷却水管,谐振腔镜,2,小型,CO2,激光器的设计,针对小型封离型,CO2,激光器,1,）确定谐振腔的主要尺寸,放电管长度：,l,P,W,/W,0,总长度,L=l,2l l,为总长的,5,15,一般采用大曲率平凹腔，凹面镜的曲率半径为,R=2,3L,放电管直径,D,：针对基横模运行，,D=3,凹,多模输出，,D4,凹,2),确定谐振腔的参数,总损耗,m,mn,由经验表达式算出,G,0,和,Is,再由 计算最佳耦合时输出镜的透过率,4.4,高功率,CO,2,激光器,1,高功率,CO,2,激光器特点,工作气体快速冷却,大体积放电的均匀性与稳定性,放电激励技术多样化,提高工作气体压力以提高激光功率,设计最佳放电,E/N,值,优良的光束质量,优良的红外光学元件,能连续输出又能脉冲输出,2,轴快流,CO,2,激光器,气流方向与激光束输出方向一致,结构：风机的选择：罗茨风机 涡轮风机,热交换器 湍流发生器,工作特性：,3,横流高功率,CO,2,激光器,放电方向 气流方向 激光束输出方向互相垂直,4.5,横向激励高气压,CO,2,激光器（,TEA,）,1,特点,工作气压高,采用横向激励方式,电极面积大,施用预电离技术,2,常用的,TEA CO,2,激光器结构,1,）针板,TEA CO2,激光器,结构比较简单，易实现均匀激励，效率不高，光束质量不太好,2,）双放电,TEA CO2,激光器,阴阳极之间加了一个预电离电极,3,）紫外光预电离,TEA CO2,激光器,4,）电子束预电离,TEA CO2,激光器,3 TEA CO2,激光器的工作特性,1,）增益开关效应,激光器的光脉冲输出是由于腔内高增益的迅速建立而形成的,2,）激光脉冲的瞬时特性,两个峰值：一个由电子直接碰撞激发形成,一个由,N,2,分子激发形成,3),输出能量与激励能量的关系,呈线性关系，注入能量过大会出现弧光放电等不稳定现象,4,）输出能量，脉冲功率与气压的关系,输出能量随气压增高而增高,脉冲宽度随气压增高而减小,5,）光束质量,由于存在各种不均匀性，光束质量不如,CO,2,普通激光器好,4.6,高功率,CO,2,激光器的结构设计,1,谐振腔的设计,光桥,镜子支承座,光桥托,2,放电系统的结构设计,2.1,横流电激励：,1,）针板式放电结构,阴极：铼钨针 串接镇流电阻,r,与,R,阳极：紫铜板 边缘倒圆,放电区气流风道：与振荡模体积和风机能力有关,喉道的设计,阴阳极间距离,提高工作气压的好处：,1,输出功率随气压增大而增大,2,不纯气体比相应减小，有利于长时间运行,3,气压增加，碰撞引起谱线加宽，减小纵模平移的影响,4,气体质量流量随气压增大而增大，有利于风机的正常工作，同时气体温度不易上升,2,）管板式放电结构,阴极：,放置位置：气流上游前沿与阳极前沿对齐,与导流板之间必须留有足够的空隙,应置于喉道渐缩段内,寿命：与管径大小有关，管径小寿命长,材料：无氧铜 水冷镍阴极,阳极：条形，两端圆弧过渡，紫铜制造,辅助阳极,阳极长度不匹配：,电极缩短，抑制瞬间飞弧的进一步扩展，在工作气质变劣时也能稳定放电,电极过短，特别气质变劣情况下，异常辉光放电区变大,阳极的绝缘处理,气流风道极间距离的确定：,4.7 CO,2,波导激光器,1,、结构,放电管、贮气管、回气管、水冷系统、谐振腔、电极等,放电管由波导管组成,2,、工作特点,放电管内径小、工作气压高、谱线加宽、输出功率密度可提高,3,、耦合损耗,外部反射镜与波导管的耦合,针对波导管中传输的,EH,11,模，存在三个低损耗区,反射镜与,EH,11,模相匹配时，三种低损耗区,反射镜与,EH,11,模不匹配时，三种实用的低损耗配置方案,